冲击作用下纳米孔洞动力学行为的多尺度方法模拟研究

本文利用多尺度方法研究了包含孔洞金属材料在冲击加载条件下的动力学行为. 该多尺度方法结合了分子动力学和有限元方法,分子动力学方法运用于局部缺陷区域,而有限元方法运用于整个模型区域,两种方法之间使用桥尺度函数进行连接. 计算结果既包括了系统宏观的物理信息,如应变场、应力场、温度场等,也得到了微观原子的物理信息,如原子能量和位置坐标等. 结合以上的模拟结果,发现孔洞的坍塌与材料屈服强度和冲击强度有关,而孔洞坍塌和坍塌过程中对微喷射原子的压缩过程是形成局部热点的主要原因. 同时也发现孔洞坍塌形成的位错和局部热点可以导致局部绝热剪切带更容易形成. 关键词： 微孔洞 热点 冲击加载 多尺度方法     

冲击作用下PBX炸药预制孔洞塌陷过程的实验探索

采用显微镜头、光纤传像束、高速相机相结合的拍摄方法,利用电爆炸驱动低速飞片技术和快响应热电偶测温技术,初步建立了毫米级小尺寸炸药冲击响应的测试方法,实现了对亚毫米尺度预制孔洞缺陷的实时动态观测,获得了固体炸药孔洞(直径500μm)动态塌陷过程的图像和温升历程,为开展热点形成、点火及成长过程的实验研究奠定了基础。     

强激光加载铝材料动态损伤特性及其微介观结构观测

在神光-Ⅱ装置上利用强激光加载铝材料进行高应变率(高于106s-1)层裂实验,研究不同初始温度下高纯铝材料的动态损伤特性。采用任意反射面速度干涉仪测量样品自由面速度剖面,由自由面速度剖面计算纯铝样品层裂强度与屈服应力。结果表明:随着温度升高,材料层裂强度减小,屈服应力增大。对激光加载前后样品进行金相分析,观察不同初始温度下纯铝材料的微介观结构变化及其损伤特性。结果表明:随着温度升高,样品晶粒尺度缓慢增大,但在873K(近熔点)时晶粒尺度急剧增加;层裂面附近小孔洞数目较多,孔洞尺寸也较大,而远离层裂面处,孔洞数目相对较少,且尺寸也较小;材料的断裂方式随温度升高由沿晶断裂为主逐渐变为穿晶断裂为主。     

微结构固体中的孤立波及其存在条件

根据Mindlin理论,考虑宏观尺度非线性效应、二次和三次微尺度非线性效应以及微尺度频散效应,建立了描述一维微结构固体中纵波传播的一种新模型.用动力系统定性分析理论,分析了微结构固体中孤立波的存在条件及其几何特征,证明了当介质参数和孤立波传播速度满足适当条件时,在二次微尺度非线性效应的影响下微结构固体中可以形成一种非对称孤立波,在三次微尺度非线性效应的影响下微结构固体中可以形成一种对称孤立波.最后,用数值方法进一步验证了上述结论.     

基于孔洞体胞模型铸造镁合金ML308的本构方程

铸造镁合金不可避免地包含许多微孔洞,这些微孔洞在材料的后续加工及服役过程中将发生演化,并对材料的力学行为产生重要影响.基于球形孔洞体胞模型,提出微孔洞长大及形核方程,它们构成微孔洞的演化方程.根据孔洞演化将造成材料性质弱化的物理机制,将微孔洞演化以弱化函数的形式引入到非经典弹塑性本构方程,得到考虑孔洞演化的铸造镁合金弹塑性本构方程.发展与本构方程相应的有限元数值分析程序,用其模拟了铸造镁合金ML308的微孔洞演化及力学行为,计算结果与实验结果符合较好. 关键词： 铸造镁合金 孔洞体胞模型 孔洞演化方程 本构方程     

材料层裂研究的主要进展

层裂是一种重要的动态损伤破坏现象,由物质界面的反射稀疏波相互作用引起,其细观尺度上的物理机制是微损伤(即微孔洞和微裂纹)的成核、生长和汇合。围绕美国物理学会George E. Duvall冲击压缩科学奖的3位获奖者Grady、Curran和Johnson的相关工作,概述层裂现象的一些主要研究进展,简要介绍层裂现象的研究历史,以期更深刻地理解那些著名的层裂物理模型和实验技术。此外,报道了最近取得的最新研究成果,阐述了冻结不同损伤水平状态的双层靶层裂实验技术与Hopkinson压杆共通的工作原理。针对微损伤成核和生长断裂破碎模型NAG/FRAG在数学上的不一致性和在物理上的不完备性,指出对于延性材料的层裂过程,只要微孔洞成核的累积数目密度满足尺寸的指数分布、微孔洞半径的生长速度与半径呈线性关系,就能够得到解析形式的损伤度演化方程,该修正模型MNAG在数学上是一致的,在物理上是完备的;对于白以龙等建立的欧拉形式的微损伤数目守恒方程,指出计算损伤度不必显式求解该方程,损伤度的表达式一般通过拉格朗日形式的微损伤数目守恒方程获得;针对损伤度函数模型或封加坡模型,以更加简洁的方法进行了推导。     

软物质和分数阶导数建模

相对于一般的硬物质(如金属、半导体，陶瓷等)，软物质是介于理想固体和流体之间的复杂状态物质(又称复杂流体，软凝聚态物质)，如生命物质、聚合物、液晶、土壤、胶体、薄膜、颗粒物质、多孔岩层、石油等。软物质的物理性质主要由其介观(介于宏观和微观之间)尺度的大分子或基团的结构和性质决定，现有的物理和力学理论还不能很好地解释其运动规律和行为。本研究主要包括3个方面的内容：(1)以研究软物质的宏观力学行为为研究对象的软物质力学(唯象)；(2)描述软物质的介观量子力学理论；(3)软物质介观尺度的时空结构。另一方面，统称分数阶时间导数、LeVy稳态分布、分数布朗运动、Hurst指数、I/f能谱、分形等数学方法为分数阶数学。     

固体物理在研究材料断裂中的应用

固体的断裂是工程结构材料较常发生的现象.研究固体的断裂问题,对于工程上的实际需要有很重要的意义.当前,从工程力学的角度研究固体断裂问题是比较多的,应用的和基础的研究均已不少.人们在实践中也逐渐地认识到从另外一个角度,即金属学及金属物理等方面进行研究也很重要.宏观和微观相结合的问题在国内外学术界提出来了。“断裂物理”这个术语近几年在国内已逐渐流行.的确,把材料断裂的力学研究和物理研究结合起来,对于了解材料断裂过程必然会更加全面和深入. 固休物理属于和实际关系较密切的基础学科.它的某些理论方法和实验技术用到研究衬…     

带孔洞的金属拉伸的分子动力学

在不同负静压下对中心带有一个球形孔洞的面心立方金属铜进行分子动力学模拟,从晶体的形变,原子分布示意图,径向分布函数等方面进行讨论.发现在弱的负压下,孔洞及材料作弹性变形,超过一定阈值时出现塑性变形,并在局部出现相变.在极强的负压下,材料断裂.随拉伸应力的增加,材料经历弹性均匀拉伸——局部fcc到hcp的相变及缺陷的产生——缺陷积累产生微裂纹或空洞——材料断裂的过程.     

含微孔洞脆性材料的冲击响应特性与介观演化机制

微孔洞显著地影响着脆性材料的冲击响应,理解其介观演化机制和宏观响应规律将使微孔洞有利于而无害于脆性材料的工程应用.通过建立能够准确表现材料弹性性质和断裂演化的格点-弹簧模型,本文揭示了孔洞的演化对于脆性材料的影响.冲击下孔洞导致的塌缩变形和从孔洞发射的剪切裂纹所导致的滑移变形产生了显著的应力松弛,并调制了冲击波的传播.在多孔脆性材料中,冲击波逐渐展宽为弹性波和变形波.变形波在宏观上类似于延性金属材料的塑性波,在介观上对应于塌缩变形和滑移变形过程.样品中的气孔率决定了脆性材料的弹性极限,气孔率和冲击应力共同影响着变形波的传播速度和冲击终态的应力幅值.含微孔洞脆性材料在冲击波复杂加载实验、功能材料失效的预防、建筑物防护等方面具有潜在的应用价值.所获得的冲击响应规律有助于针对特定应用优化设计脆性材料的冲击响应和动态力学性能.     

《物理》内容预告

1993年第4期 中国物理学会固体内耗与超声衰减专业委员会祝贺学部委员葛庭健教授诞辰80周年 专稿·晶界力学弛豫研究的新成就(张立德等);·高温超导体中氧行为的内耗研究 (陈廷国);·高温超导体磁通钉扎内耗的研究 (文亦汀);·聚合物力学弛豫谱及其应用(张立德等);·动态局域畸变引起的内耗(王业宁);·钢铁中稀土合金化的内耗研究(俄景文);·镍钦合金的内耗(朱劲松);.Cu一Zn一AI一Mn合金的预贝氏 体相变研究(沈惠敏等);·内耗方法在研究蠕变和蠕变断裂 中的应用(孔庆平);·固体的超声研究(胡建恺等);·固体内耗新模型和分形、涅沌(王养璞)…     

北极环境噪声:冰源力学

所有海洋都是嘈杂的。北冰洋的噪声发生于冰盖子,特别是其引起断裂的应力状态。由于在北极中潜艇战的战略重要性及石油勘探和开采的经济重要性加速了噪声及冰断裂过程的研究。我在本报告中概述关于理解与冰源力学有关的北冰洋噪声基础方面的新进展。 除开要求噪声的定量观察以外;这里还有几个物理问题,如海冰的流变性质、对冰施加切应力的海洋和大气边界层的本质、及可能会发生断裂的地方的冰盖子的形态特性。冰源力学酷似于地震的地震学和位错运动的声发射,虽然细节上有差别。冰噪声问题的尺度远小于地震的尺度,而远大于位错运动的尺度。     

冲击加载下孔洞形成微射流的最大侵彻深度

应用二维弹塑性流体力学欧拉程序MEPH,研究冲击载荷作用下孔洞形成的微射流.主要关注孔洞微射流的形成过程,重点分析冲击压力及孔洞半径等因素对于孔洞微射流最大侵彻深度的影响.分析孔洞塌缩形成射流的空间速度分布特征,并应用非定常射流理论,对不同冲击压力及孔洞半径条件下,微射流的最大侵彻深度进行估算,估算结果与数值模拟结果符合较好.     

1993年第4期《物理》内容预告

中国物理学会固体耗与超声衰减专业委员会祝贺学部委员葛诞燧诞辰80周年专稿动态局域畸变引起的内耗(王业宁);晶界力学弛豫研究的新成就(张立德、朱爱武);位错晶界与点缺陷交互作用引起的非线性、非稳定和非德拜型弛豫的理论方向(孙宗琦);高温超导体中氧行为的内耗研究(陈廷国);镍钛台金的内耗(朱劲松);Cu-Zn-Al-Ma合金的预贝氏体相变研究(沈惠敏等);内耗方法在研究蠕变和蠕变断裂中的应用(孔庆平);钢铁中稀土合金化的内耗研究( 景文);固体内耗新模型和分形、混沌(王养璞等);聚合物力学弛豫谱及应用(张立德、李健);月龄对鸡肌腱内耗的影响…     

孔洞增长与汇合的数值模拟

在研究延性材料的层裂过程中，微孔洞的成核、增长与汇合是主要问题。在二维平面条件下，应用二维拉氏有限元弹塑性流体力学程序(LTZ-2D)，在动态拉伸作用下，对多种形状的孔洞增长、相互作用和汇合进行了数值模拟。结果表明，初始非圆形孔洞在动态拉伸作用下，经过了一定时间后，孔洞的增长均趋近于圆形。如果在孔洞周围允许材料损伤断裂的话，当孔洞继续长大到一定程度时，将产生破裂并且汇合。以铜材料为例，     

非线性滞弹性—一门新的学科领域

固体的力学性质包括弹性、范性和断裂，由于实际应用上的重要性，关于断裂的研究已经受到相当重视，但是范性形变是断裂过程的前奏，因此在解决固体材料破坏问题的整个环节中，必须研究范性形变的机制。另一方面，弹性形态是范性形变的先导，而目前作为阐明范性形变要制的基础的位错理论还不能与研究弹性形变的弹性理论衔接起来，所以需要重视从弹性到范性的过渡的研究。该文介绍的非线性滞弹性是关于这方面的一种初步尝试。     

基于微孔洞长大惯性机制的动态拉伸断裂模型构建

 采用圆柱体胞模型分析方法,对球形微孔洞在不同加载应变率条件下的动力学响应行为进行了有限元分析,计算结果表明：在微孔洞稳定增长阶段,惯性对微孔洞的快速增长起着关键性作用,其它因素的影响基本可以忽略,微孔洞半径增长率与平均应力的平方根成正比。提出了一个微孔洞增长惯性机制的损伤度演化方程,结合逾渗软化函数描述微孔洞聚集行为,从而构建了一个新的动态拉伸断裂模型,并通过自定义材料模型子程序,把断裂模型嵌入LS-DYNA程序中,对无氧铜平板撞击层裂实验进行了数值模拟研究,计算结果与实验结果的比较令人满意,初步检验了新模型的实用性。     

固体力学内耗理论讲授方法

固体内耗是研究原子迁移、微观结构演化的重要方法，对理解固体结构缺陷动力学弛豫过程具有重要作用。本文从能量和应力应变滞回曲线出发推导了固体力学内耗表达式，后结合内耗与固体微观结构缺陷弛豫的本征关联概述了晶态固体和非晶态固体力学弛豫模式的研究前沿，这对于固体黏弹性力学的课程教学具有重要借鉴价值。本文结合作者近几年的固体内耗理论教学实践及研究成果，从教学内容、教学方法和教学环节等方面探讨该课程的教学。文中的教学措施可为其他讲授力学课程的教师提供参考。     

多孔脆性介质冲击波压缩破坏的细观机理和图像

本文采用一种具有良好定量性质的离散元模型研究了带孔洞的各向同性脆性介质在细观尺度上的压缩破坏特征. 通过对孤立孔洞、三种简单的孔洞排布方式和大量孔洞随机排布等几种情况的模拟, 认识到了剪切破坏和局域拉伸破坏是冲击波压缩下多孔介质的基本破坏模式; 孔洞之间的损伤贯通会促进孔洞在较低应力下发生塌缩, 但损伤区的应力松弛过程却会对一定范围内的介质起到损伤屏蔽作用; 不同区域中损伤促进和损伤屏蔽的综合效果是在多孔脆性介质中形成一种高损伤区与低损伤区间错排布的奇特损伤分布. 本文的研究结果为深入理解脆性材料冲击波压缩破坏的演化过程和机理提供了细观尺度上的初步物理图像.     

晶粒尺度对延性金属材料层裂损伤的影响

微细观结构对材料动态损伤、破坏的影响是目前国内外力学领域的研究热点之一. 基于相关文献的实验结果, 通过理论分析, 给出了一个新的反映晶粒尺度效应的孔洞成核模型, 并将其耦合到延性金属材料层裂损伤模型中. 采用数值方法分析了晶粒尺度对高纯铜材料层裂损伤演化过程的影响. 计算结果显示: 随着材料平均晶粒尺度的增加, 自由面速度回跳点降低, 回跳后速度曲线的斜率增加; 损伤材料内部的孔洞数减少、平均孔洞尺寸增大.计算结果与相关文献所报道的实验 分析结果定性上符合较好. 该结果对于层裂损伤的深入研究具有一定的启发性. 关键词： 层裂 晶粒尺度 延性金属材料 冲击